Принцип работы трехфазного выпрямителя

Большая часть электроснабжения осуществляется по трехфазным сетям с переменным током. Однако в быту и в промышленности часто используются силовые электрические установки, потребляющие постоянный ток, поэтому возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный. Мощные трехфазные выпрямители на современных полупроводниках успешно решают эту задачу. Их схемы строятся на основе однополупериодного или двухполупериодного моста, преобразующего трехфазное напряжение в постоянно пульсирующую энергию.

Функции 3-фазного выпрямителя
Функции 3-фазного выпрямителя

Особенности трехфазного напряжения

Большинство машин, вырабатывающих электричество, относится к трехфазным генераторам. Их обмотки разнесены по окружности статора на 120 градусов. При вращении они выдают в сеть три синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 1/3 периода.

Графическое представление трехфазного напряжения сети
Графическое представление трехфазного напряжения сети

Вне зависимости от соединения генератора и приемника (звезда или треугольник) электрическая линия состоит из 3-х фазных проводов, передающих синусоидальное напряжение одинаковой амплитуды и частоты, также сдвинутых на 120 градусов между собой. Сохранение этих соотношений — основа качественного электроснабжения.

Система трехфазного напряжения (тока) получила широкое распространение за счет следующих преимуществ:

  • возможность создания магнитного поля, обеспечивающего вращение различных синхронных и асинхронных машин переменного тока;
  • более экономичная передача электрической энергии большой мощности на дальние расстояния за счет сокращения расходов на провода, трансформаторы и другое оборудование;
  • за счет комбинации соединений звезда-треугольник можно получать различные напряжения для потребителей (127 В, 220 В, 380 В, 660 В).

Для поддержания симметрии, исключения перекоса фаз чаще всего используется четырехпроводная система для трехфазных токов, состоящая из трех фазных проводов и нейтрального (нулевого) провода, ток по которому протекает при возникновении перекоса фаз или же он используется как однофазный.

Принцип действия выпрямителя

Принцип работы трехфазного выпрямителя основывается на односторонней проводимости диодов. При минусе на анодном выводе полупроводника на р-n-переходе возникает большое сопротивление, поэтому электрический ток может проходить лишь при плюсе на этом выводе. В результате классическая синусоида напряжения (тока) превращается в пульсирующее изменение разности потенциала на активной нагрузке. Использование тиристоров вместо диодов позволяет более точно регулировать параметры выпрямленного тока.

Пульсирующее напряжение
Пульсирующее напряжение

Конструктивно трехфазный полупроводниковый выпрямитель является устройством, состоящим из следующих узлов:

  • трехфазного трансформатора, согласующего напряжение электросети с необходимым на входе преобразователя;
  • выпрямляющего блока. Если он не управляемый, то состоит из диодов. В противном случае применяются тиристоры, транзисторы, а в специальных схемах — кенотроны и прочие элементы;
  • набора сглаживающих фильтров для поддержания выходных параметров на нагрузке;
  • схемы управления, контроля и защиты прибора.
Структурная схема трехфазного выпрямителя
Структурная схема трехфазного выпрямителя

Основные виды выпрямителей 3-фазного тока

Наибольшее распространение получили схемотехнические решения для выпрямления синусоидального тока на диодах, известные под названиями трехфазный мост Миткевича на трех диодах и трехфазный мост Ларионова на шести диодах.

Популярные схемы трехфазного выпрямителя
Популярные схемы трехфазного выпрямителя

Трехфазный однополупериодный выпрямитель Миткевича — это четвертьмостовое параллельное устройство. В варианте Ларионова используется три параллельных полумоста, поэтому данное устройство является полумостовым  параллельным. Трехфазный трансформатор при его использовании можно включить по способу звезда или треугольник, поэтому существует 2 варианта схемотехнического решения — звезда Ларионова и треугольник Ларионова. Надо сказать, что схему Миткевича можно рассматривать как неполный вариант схемы Ларионова, а ее как неполную схему той, которая строится на трех параллельных мостах с использованием 12 диодов.

Кроме варианта с тремя параллельными мостами существует еще решение с тремя последовательными мостами. Эти две схемы используются реже, чем Миткевича и Ларионова, хотя по многим показателям они превосходят последние. Например, они строятся с помощью диодов, у которых показатель стреднего тока меньше, чем у тех элементов, что применяются для выпрямителя Ларионова, в два раза.

Выпрямление с помощью трех последовательных мостов
Выпрямление с помощью трех последовательных мостов

Еще меньшей популярностью пользуются варианты с шестью последовательными и шестью параллельными мостами, строящиеся на двух 3-фазных трансформаторах и 24 диодах. Выводы первичных катушек одного из ТТ соединяются звездой, а второго — треугольником, что обеспечивает 30-градусный сдвиг фаз. Эти выпрямители являются полномостовыми.

Схема выпрямления с использованием шести параллельных мостов
Схема выпрямления с использованием шести параллельных мостов

Трехфазная однополупериодная схема Миткевича

Трехфазный однотактный мостовой выпрямитель невозможно построить без использования трансформатора тока (ТТ), вторичные обмотки которого соединены звездой, а также диодов, соединенных последовательно с обмотками, и выходных клемм для подключения нагрузки. Каждый диод подключен анодом к одной фазе, а катодом через проводящий полупроводник к другой. Выпрямление при использовании данной схемы происходит без нулевой точки ТТ, поэтому первичные обмотки можно соединять любым из двух способов — треугольником или звездой, это не принципиально.

Схема однополупериодного выпрямителя
Схема однополупериодного выпрямителя

Трехфазная нулевая схема выпрямления обеспечивает поочередное функционирование диодов на протяжении одной трети периода синусоидального напряжения. Ток начинает пропускать тот полупроводник, на анод которого поступает потенциал с наибольшим значением относительно того, что присутствует на катодах, соединенных вместе с нейтралью трансформатора через сопротивление нагрузки. График Uн (напряжение на нагрузке) будет при этом состоять из положительных частей синусоид на вторичных катушках трансформатора тока, находящихся между пересечениями этих синусоид (точек, соответствующих моменту переключения диодов). Обратное напряжение диодов при таком соединении равно линейному во вторичных катушках. Временные диаграммы электрических напряжений, присутствующих на элементах схемы, представлены на рисунке ниже.

Диаграммы однотактного выпрямителя

Работа трех диодов, сдвинутых по фазе напряжений вторичных обмоток, обеспечивает трехкратное снижение амплитуды пульсаций по сравнению с однофазным выпрямлением. Напряжение на нагрузке имеет довольно низкий уровень колебаний (пульсаций) — не более 14%. Это близко к постоянному потенциалу. Такое качество позволяет экономить на индуктивностях фильтрующих устройств.

Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя имеет существенный недостаток — протекание постоянного тока по обмоткам способствует возникновению дополнительного магнитного потока (подмагничивания). Это может привести к насыщению железа трансформатора и искажению синусоид питающих токов. Такие особенности снижают коэффициент использования трансформатора. Во избежание неприятностей приходится увеличивать мощность ТТ, сечение стержней, что увеличивает вес, габариты и расходы на производство. Кроме того, отсутствует возможность применять трехфазный выпрямитель с нулевым выводом в однофазной бытовой сети.

Трехфазный двухтактный выпрямитель

Он представляет собой два однотактные 3-фазные схемы, объединенные в анодную и катодную группу, которые работают в противофазе, то есть, каждая проводит свои полуволны вторичного напряжения обмоток. За счет объединения двух групп диодов частота тока на нагрузке может достигать 300 Гц, если в сети 50 Гц.

Схема Ларионова
Схема Ларионова

Диоды в каждой группе работают синхронно парами. Если открывается катодный полупроводник, к которому в данный момент приложен самый высокий потенциал, то в анодной группе начинает работать диод с самым низким потенциалом.

Диаграммы двухтактного выпрямителя
Диаграммы двухтактного выпрямителя

При использовании двухтактной схемы коэффициент пульсаций будет ниже, чем у однотактных вариантов. Высокая, шестикратная относительно сетевой, частота не насыщает железо, что существенно уменьшает установленную мощность и габаритные размеры трансформатора. Последовательное включение в работу двух диодов позволяет использовать полупроводники с меньшим в два раза напряжением пробоя.

К недостаткам моста Ларионова следует отнести возросшее вдвое количество проводников по сравнению с тем, что требует трехфазная однополупериодная схема. А еще его нельзя использовать для бытовых однофазных сетей.

Силовой блок 3-фазного выпрямителя
Силовой блок 3-фазного выпрямителя

Факторы, влияющие на выбор устройства

Для правильного выбора выпрямителя важно учитывать:

  • характер нагрузки: активная, активно-индуктивная, активно емкостная.
  • способ использования выпрямленного тока: сварочный агрегат, тяговые устройства лифтов и пр.
Промышленные выпрямители
Промышленные выпрямители

Выбор элементов для схем преобразования синусоидального тока зависит от:

  • мощности трансформатора;
  • напряжения сети;
  • частоты выходного напряжения;
  • обратного напряжения на вентилях и их количества;
  • коэффициента мощности трансформатора.

Область применения трехфазных выпрямителей связана с большими мощностями и высокими напряжениями. Они являются основными преобразователями тока в регулируемых приводах станков, локомотивов, в подъемно-транспортных механизмах лифтов и эскалаторов. Управляемые мостовые схемы на тиристорах, кенотронах и газотронах востребованы в гальванике, сварке и высокочастотной обработке металлов. Маломощные 3-х фазные приборы, до 1 кВт, используются в промышленной электронике. Бытовое применение широкого распространения не получило в связи с однофазными электрическими сетями для потребителей и сложностью реализации.

Видео по теме

Adblock
detector